高速鐵路不同形式矮屏障車致氣動力研究

韓珈琪

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 機(jī)械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津300308）

1 前言

近年來，高速鐵路線路規(guī)劃趨向于靠近城區(qū)、引入既有車站，這些區(qū)域人口密集、人民對生活質(zhì)量要求高，鐵路噪聲控制已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點。聲屏障是傳播途徑降噪的首選措施，也是目前鐵路沿線環(huán)境噪聲治理的主要方式。目前，我國鐵路主要采用直立式聲屏障。

高速鐵路引入城區(qū)段線路一般速度較低，以輪軌噪聲為主[1]，聲能量主要集中于輪軌附近，此時采取通用聲屏障(一般為軌面以上2.3 m)功能利用率低，同時由于聲屏障造價較高，一般在線路特定區(qū)段設(shè)置，噪聲在有限長屏障端部繞射，造成降噪效果不理想。

基于這種情況，矮屏障在擋墻頂部設(shè)置，與軌道距離更近，造價低，隨主體工程一同施工，可視作與線路長度一致，無長度方向端部的繞射問題，降噪性能利用率高。目前國外針對高速鐵路開展了矮屏障的相關(guān)研究[2]，尚無應(yīng)用實例，國內(nèi)近年針對矮屏障的聲學(xué)性能進(jìn)行了試驗和仿真研究[3]。

高速列車運行時會對臨近軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的氣動力，并且其幅值與列車運行速度、結(jié)構(gòu)高度及距軌道距離直接相關(guān)。矮屏障結(jié)構(gòu)距離軌道更近，受到高速列車風(fēng)致氣動力作用較大。因此，通過數(shù)值仿真方法研究了高速列車通過時，4種型式矮屏障上作用的氣動力變化及分布規(guī)律，探討其工程化應(yīng)用中的列車風(fēng)致氣動力問題。

2 數(shù)值模型

真實的列車長細(xì)比很大，列車底部和外表面細(xì)部特征復(fù)雜，并且列車所處軌道結(jié)構(gòu)外形也較復(fù)雜。在保證列車整體氣動特性不變的情況下，數(shù)值建模對車體細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?。研究表明[4]，3輛編組列車通過時的氣動特性與8輛編組、16輛編組列車通過時的氣動特性及氣動力峰值相同，因而列車計算模型采用3輛編組長度，簡化后計算模型總長為76 m。

研究的4種鐵路橋梁矮屏障結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。矮屏障位于橋梁原擋墻位置，距離軌道中心線2 m，兼具擋墻功能。1型矮屏障在原擋墻高度上增加0.5 m；2型矮屏障增加0.65 m，較1型增高部分厚度減小；3型矮屏障增加1.0 m，增加高度0.5 m以上靠軌道側(cè)為斜面；4型矮屏障增加1.0 m，矮屏障整體呈弧形。所有矮屏障內(nèi)側(cè)緊鄰鐵路建筑限界。

圖1 4種型式矮屏障

兼顧計算精度和硬件水平，除地面邊界外，計算域邊界到模型的最近距離為列車模型高度的8倍，滿足計算精度的要求[5-6]，細(xì)化列車附近區(qū)域、矮屏障

表面網(wǎng)格，其余區(qū)域及表面適當(dāng)粗化，模型約包含1 500萬單元、270萬個節(jié)點。計算采用k-∑兩方程湍流模型，并考慮空氣黏度；求解域前后邊界與列車運行方向垂直。

3 列車駛過矮屏障時氣動力變化情況

列車頭車駛過1型矮屏障時，頭車附近壓力場分布如圖2所示。圖2中將矮屏障面板(面向軌道)和背板展開為水平方向。從圖2可以看出，頭車形成的正壓場呈“靶形”，“靶心”位于車鼻處；同時在頭車正壓場的作用下，矮屏障面板上的正壓分布也呈“靶形”，“靶心”正壓值最大，距“靶心”越遠(yuǎn)正壓值越小，“靶心”位于矮屏障根部以上約0.8 m處，峰值約為1 100 Pa；背板上的正壓“靶心”位于矮屏障頂部，峰值約為300 Pa。頭車形成的負(fù)壓場也呈“靶形”，“靶心”位于頭車截面突變處；同時在頭車負(fù)壓場的作用下，矮屏障面板上負(fù)壓場“靶心”位于矮屏障根部以上約0.8 m處，負(fù)峰值約為-800 Pa；背板上的負(fù)壓場“靶心”位于矮屏障頂部，負(fù)峰值約為-300 Pa。背板正負(fù)壓力峰值遠(yuǎn)小于面板正負(fù)壓力峰值。車頭駛過時產(chǎn)生的空氣動力學(xué)變化稱為“頭波”效應(yīng)。

圖2 列車頭車靠近時最大正壓發(fā)生時刻氣動力分布云圖

結(jié)合聲屏障氣動力研究結(jié)果[7]，車頭經(jīng)過時，聲屏障上產(chǎn)生整個過車時段的氣動力峰值；結(jié)合本次矮屏障數(shù)值仿真，中間車通過時，壓力場基本穩(wěn)定，脈動效應(yīng)不明顯且峰值較低；列車尾車通過時，形成正、負(fù)“靶形”壓力場，受壓力場作用，矮屏障面板上的正壓分布也呈“靶形”，“靶心”位置與“頭波”引起的“靶心”位置基本一致，但“靶心”峰值小于車頭經(jīng)過產(chǎn)生的峰值，車尾駛過時產(chǎn)生的空氣動力學(xué)變化稱為“尾波”效應(yīng)。

高速列車通過其他3種矮屏障的氣動力分布規(guī)律與1型矮屏障基本一致，僅在矮屏障橫截面突變處存在細(xì)微差異，在此不再一一分析。

4 4種結(jié)構(gòu)型式矮屏障的氣動力差異

列車駛過時，作用在矮屏障上的氣動力的實際作用與其整個時程變化的峰值、負(fù)峰值均直接相關(guān)，后處理中通過對作用在矮屏障上的氣動力正峰值、負(fù)峰值做差得到氣動力峰峰值。矮屏障面板上“頭波”(車頭經(jīng)過時的正負(fù)壓波動)導(dǎo)致的氣動力峰峰值沿豎直方向的分布如圖3所示。

圖3 4種型式矮屏障面板頭車氣動力峰峰值

由圖3可知：普通擋墻面板上頭車氣動力峰峰值沿豎直向上方向基本維持不變，4種類型矮屏障面板上“頭波”氣動力峰峰值沿豎直方向變化趨勢基本一致，橋面以上0~0.7 m風(fēng)壓峰值緩慢增加，0.7~0.9 m處達(dá)到最大值，0.9~1.7 m急速減小。矮屏障面板相同位置測點，“頭波”峰峰值大致關(guān)系為：3型>4型>2型>1型。這 是 由 于 矮 屏 障 高 度3型=4型>2型>1型，而3型矮屏障頭部空間小于4型。

設(shè)置4種型式矮屏障后，相同高度測點的風(fēng)壓峰峰值較普通擋墻增加200~500 Pa，對于混凝土結(jié)構(gòu)(抗壓強(qiáng)度MPa計)[8]來說，此部分增加受力影響較小。

矮屏障面板上“尾波”(車尾經(jīng)過時的正負(fù)壓波動)導(dǎo)致的氣動力峰峰值沿豎直方向的分布如圖4所示。

圖4 4種型式矮屏障面板尾車氣動力峰峰值

由圖4可知，1型、2型矮屏障面板上“尾波”氣動力峰峰值隨高度增加逐漸增大，在頂部達(dá)到最大值；由于3型、4型矮屏障隨高度的增加，頂部截面變化較大，局部區(qū)域氣動力峰峰值分布與1型、2型相比出現(xiàn)突變。3型、4型矮屏障面板上“尾波”氣動力峰峰值沿橋面以上0.0~0.9 m逐漸增大，0.9~1.0 m處達(dá)到最大值，1.0~1.65 m逐漸減小，1.65~1.75 m增大。相同位置測點，“尾波”導(dǎo)致的4種型式矮屏障氣動力峰峰值大小關(guān)系與“頭波”基本一致。

同時研究了背板作用的氣動力特性，主要結(jié)論有：矮屏障背板上“頭波”導(dǎo)致的氣動力峰峰值隨高度增加逐漸減小，在頂部達(dá)到最小值。背板上相同位置測點，“頭波”峰峰值大小關(guān)系為1型>2型>3型>4型；矮屏障背板上“尾波”導(dǎo)致的氣動力峰峰值隨高度增加逐漸增大，在頂部達(dá)到最大值。背板上相同位置測點，“尾波”氣動力峰峰值大小關(guān)系與“頭波”基本一致。

5 結(jié)論

通過對高速列車通過4種型式橋梁矮屏障過程中氣動力的數(shù)值仿真及分析，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)列車頭車經(jīng)過矮屏障時，矮屏障先受到較大的正壓力接著受到負(fù)壓力，然后下降并恢復(fù)到初始狀態(tài)；當(dāng)列車尾車經(jīng)過矮屏障時，受到的壓力變化情況相反。矮屏障正面壓力波動明顯大于背面壓力波動。

（2）矮屏障面板各峰峰值沿高度基本規(guī)律為：0~0.9 m緩慢增加，0.9~1.2 m達(dá)到極值，1.2 m至頂部急速減小，最大風(fēng)壓位置位于0.9~1.2 m處；矮屏障背板各峰值沿高度基本規(guī)律為隨高度增加根部增大較慢，隨后急速增大，最大風(fēng)壓位置位于頂部。

（3）矮屏障設(shè)置之后，擋墻面板承受的氣動力峰值增加200~500 Pa，對照一般混凝土抗壓強(qiáng)度，增幅較小。

（4）矮屏障面板相同位置測點，各峰峰值大小關(guān)系為3型>4型>2型>1型；矮屏障背板相同位置測點，各峰峰值大小關(guān)系為1型>2型>3型>4型。